Chương 3. Mạng LAN ppsx

Mạng LAN hay còn gọi là mạng máy tính cục bộ là một mạng bao gồm các máy tính và một số thiết bị kết nối truyền dữ liệu trong một phạm vi không lớn và giới hạn bởi cự ly truyền dẫn và số

Chương 3 Mạng LAN 3.1 Tổng quan về mạng LAN

3.2 Các giao thức cho mạng LAN

3.3 Các phương pháp điều khiển truy nhập đường truyền.

3.1 Tổng quan về mạng LAN

Mạng LAN hay còn gọi là mạng máy tính cục bộ là một mạng bao gồm các máy tính và một số thiết bị kết nối truyền dữ liệu trong một phạm vi không lớn và giới hạn bởi cự ly truyền dẫn và số lượng các phần tử của mạng.

Mạng LAN không chỉ hoạt động độc lập, LAN có thể được kết nối với

các mạng LAN khác hoặc kết nối với mạng Internet để chia sẻ các

nguồn tài nguyên như : chia sẻ xử lý, chia sẻ dữ liệu, chương trình,…

Các loại thiết bị kết nối trong mạng LAN: Các thiết bị kết nối có thể hoạt

động ở những lóp khác nhau trong mô hình internet

Các bộ lặp – repeaters và Hub là thiết bị thuộc lớp thứ nhất trong mô hình Các bộ cầu nối – Bridge là thiết bị thuộc lớp thứ hai

Các bộ định tuyến – Router là thiết bị thuộc lớp thứ ba

Tổng quan về mạng LAN

Bộ lặp – Repeater Là thiết bị chỉ hoạt động ở lớp vật lý có chức năng:

Nhận tín hiệu từ một đầu cuối từ đầu vào này.

Tái lập lại tín hiệu, phát lại chuỗi bít nhận được.

Gửi các tín hiệu lặp này ra đầu ra kết nối với 1 đầu cuối khác

(bộ lặp thông thường chỉ có một đầu vào và một đầu ra, bộ lặp có thể lặp tín

hiệu một chiều hoặc theo hai chiều)

Thiết bị này chỉ cho phép kết nối các thiết bị trong cùng một mạng LAN,

các thiết bị trong cùng một phải phải thống nhất chung giao thức sử dụng Không có khả năng lọc dữ liệu, tất cả các tín hiệu của các khung thông

tin nhận được sẽ được lặp và chuyển ra đầu ra.

Tổng quan về mạng LAN

Hub: Thực chất là một bộ lặp nhiều cổng, thiết bị cho phép nhận tín hiệu

từ một đầu vào và tái lập lại tín hiệu này (thiết lập và phát lại tín hiệu tương ứng với bít nhận được) và gửi ra tất cả các đầu ra của thiết bị.

Các thiết bị hub có thể được thiết lập kết nối theo dạng phân cấp và hub thông minh có khả năng quan sát mạng, cách ly khi cần thiết,…

Nói chung các bộ lặp và hub là các thiết bị cơ bản của tầng vật lý cho phép

Tổng quan về mạng LAN

Bộ cầu nối – Bridge:

Là thiết bị kết nối hoạt động cả ở tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu các

bộ cầu nối cho phép tại lập và phát lại tín hiệu mà nó nhận được, chức năng này thuộc tâng vật lý

Bộ cầu nối kiểm tra địa chỉ vật lý của thiết bị nguồn và thiết bị đích

trong khung dữ liệu mà nó nhận được

Nếu khung dữ liệu này được phát đi từ một thiết bị trong LAN1 và gửi tới một thiết bị trong mạng LAN2, bộ cầu nối sẽ tiếp nhận khung dữ liệu này và chuyển tới đầu ra tương ứng để đưa vào mạng LAN2, ngược lại khung dữ liệu được bỏ qua

Tổng quan về mạng LAN

Như vậy bộ cầu nối có khả năng lọc các khung dữ liệu mà nó nhận được

và cho phép chuyển tiếp các khung này ra đầu ra tương ứng thông qua một bảng ánh xạ ‘forwarding table’ được xây dựng từ một cơ sở dữ liệu.

Quá trình học của bộ cầu nối.

Tổng quan về mạng LAN

Một cầu nối đơn giản sử dụng các bảng chuyển tiếp tĩnh hệ thống

quản lý sẽ chỉnh sửa các thành phần của bảng chuyển tiếp này, bất cứ

khi nào một trạm được kết nối hoặc cắt khỏi, bảng này sẽ đuợc chỉnh

sửa lại bởi hệ thống quản lý.

Với nhưng cầu nối thông minh thì bảng chuyển tiếp được thiết lập

động thông qua quá trình học của cầu nối.

quá trình học được thực hiện qua cơ chế sau:

Cầu nối sẽ kiểm tra địa chỉ nguồn và địa chỉ đích của mỗi khung

thông tin mà nó nhận được.

Địa chỉ nguồn sẽ được so sánh với mỗi thành phần thông tin địac

chỉ trong bảng, nếu địa chỉ này không có trong danh sách của bảng

chuyển tiếp thì bộ cầu nối sẽ tự động thêm giá trị địa chỉ này và chỉ số cổng tương ứng tỏng khung dữ liệu nhận được vào bảng nếu giá trị

địa chỉ này đã có trong bảng thì sẽ không thực hiện công việc gì.

Tổng quan về mạng LAN

Với địa chỉ đích cũng được so sánh với các thành phần địa chỉ có trong bảng nếu giá trị địa chỉ này không có trong bảng thì bộ cầu nối sẽ sao và

phát khung dữ liệu này ra tất cả đầu ra của nó để chắc chắn rằng khung

đó sẽ được nhận tại một trạm kết nối.

Nếu địa chỉ này đã có trong bảng thì khung dữ liệu sẽ được chuyển

tiếp ra đầu ra tương ứng với địa chỉ này trong bảng chuyển tiếp.

VD : Khi trạm A gửi một khung tới trạm

D cầu nối lúc đầu không có thành phần

địa chỉ cho A và D khi đó khung sẽ

được sao và chuyển tiếp ra các cổng 2

và 3 của cầu nối

Tổng quan về mạng LAN

Bằng cách quan sát các địa chỉ nguồn, cầu nối sẽ học được trạm A nằm trong

mạng LAN1 và kết nối cổng 1 của cầu nối Như vậy các khung có địa chỉ đích là

A sẽ được chuyển qua cổng 1.

Khi trạm E gửi đi một khung tới trạm A, cầu nối đã có thành phần địa chỉ tương

ứng với A khi đó khung dữ liệu sẽ được chuyển tiếp chỉ qua cổng 1 và với việc xác định địa chỉ nguồn trong khung dữ liệu này là E thì bảng chuyển tiếp được thêm vào một thành phần địa chỉ và cổng chuyển tiếp tương ứng với trạm E.

Tổng quan về mạng LAN

Theo lý thuyết một cầu nối có thể được dùng để kết nối giữa các mạng

LAN sử dụng các giao thức khác nhau tại tầng liên kết dữ liệu

Để thực hiện đuợc chức năng này cầu nối có thể phải thực hiện các yêu

cầu sau :

Định dạng lại khung dữ liệu : Mỗi kiểu mạng LAN có một cấu trúc khuôn

dạng khung dữ liệu riêng Như vậy yêu cầu đối với cầu nối là phải định dạng các khung

để có thể đưa vào mạng LAN tương ứng.

Nếu khung dữ liệu đầu vào có kích thuớc quá lớn so với kích thước của các khung dữ liệu trong mạng LAN chứa trạm đích của khung này, khi đó cầu nối sẽ thực hiện chia nhỏ khung thành các khung có kích thước phù

hợp. (việc lắp ráp lại các khung này được xử lý tại tầng mạng của trạm

đích).

Khi tốc độ dữ liệu của các mạng LAN khác nhau, cầu nối cũng phải có

cơ chế đồng bộ tốc độ giữa các mạng, tức là cầu nối phải có các bộ đệm

Tổng quan về mạng LAN

Trong một số mạng LAN không dây các khung dữ liệu được bảo mật

bằng cách trộn « ngẫu nhiên » các bít trong khung như vậy cầu nối cần

phải thực hiện quá trình ngược lại như trên trước khi chuyển tiếp khung

dữ liệu tới một mạng LAN thường.

Tổng quan về mạng LAN

Bộ định tuyến :

Là thiết bị thuộc lớp 3 trong mô hình internet nhưng về cơ bản bộ định

tuyến là thiết bị bao gồm tính năng của 3 lớp : lớp vật lý, lớp liên kết dữ

liệu và lớp mạng với 3 chức năng chính sau :

Thực thi nhưng thuật toán, giao thức định tuyến.

Chuyển tiếp hoặc chuyển mạch các gói dữ liệu từ các đầu vào tới các đầu ra cần liên kết.

Quản lý tắc nghẽn.

Các giao tiếp cổng đầu vào Các cơ cấu chuyển mạch Các giao tiếp cổng đầu raCấu trúc chung của bộ định tuyến :

Tổng quan về mạng LAN

Tổng quan về mạng LAN

Các cổng đầu vào bao gồm một thiết bị kết nối NIC thực hiện các

chức năng thuộc tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu cũng như các chức

năng cơ bản của tầng mạng cụ thể như :

Xác định các bít thông tin

Xác định khung dữ liệu và kiểm tra lỗi xảy ra với các khung này

Quan sát các trường địa chỉ đích nguồn để đưa tới nhưng khối xử lý đầu ra

tương ứng.

Tổng quan về mạng LAN

Các cơ cấu chuyển mạch : thực hiện trung chuyển các gói giữa các card

giao tiếp đầu vào và đầu ra

Một số kiểu cơ cấu chuyển mạch :

Chuyển mạch qua bộ nhớ : các gói dữ liệu nhận được từ đầu vào

được lưu trong bộ nhớ và được gửi ra các đầu ra tương ứng Cơ cấu

chuyển mạch này có đáp ứng chậm

Chuyển mạch thông qua bus : gói dữ liệu đuợc gửi trực tiếp từ cổng đầu vào tới cổng đầu ra thông qua một bus chia sẻ Thông thường các gói dữ liệu truyền tải qua bus chia sẻ này theo cơ chế nối tiếp như vậy tốc độ dữ liệu của bus cần phải lớn hơn N lần tốc độ dữ liệu của dữ

liệu đầu vào.

Chuyển mạch qua các bộ kết nối chéo : một mạng kết nối bên trong

bao gồm 2N đường bus các các bộ kết nối chéo cho phép kết nối giữa

N đầu vào và Nđầu ra theo mọi khả năng Ngoài ra để đáp ứng với mọi

khả năng có thể thì cấu trúc này còn có thêm các bộ nhớ lưu giữ các

khung dữ liệu trong trường hợp đầu ra đang bị chiếm dụng trong khi

có nhiều hơn 2 đầu vào cần kết nối với đầu ra này.

Tổng quan về mạng LAN

Các bộ kết nối đầu ra : thực hiện những chức năng tương tự nhưng

ngược lại so với các bộ kết nối đầu vào.

Bộ xử lý định tuyến: Thực hiện các xử lý định tuyến theo những

phương pháp định tuyến chỉ định Bộ xử lý định tuyến lưu giữ 1 bảng

thông tin định tuyến xác định hướng chuyển tiếp của luồng dữ liệu ra

một cổng chỉ định trong bảng này Bảng thông tin định tuyến được xây

dựng sau quá trình xử lý định tuyến.

Tổng quan về mạng LAN

3.2 Các giao thức cho mạng LAN

Các giao thức cho mạng LAN

Tính chất riêng biệt (topop mạng, ứng dụng,….) Giá thành thấp

Tốc độ cao (Phạm vi mạng không lớn, cự ly kết nối giũa các máy tính trong mạng khoảng 1km)

Các giao thức cho mạng LAN

Các thuộc tính của mạng LAN:

Cấu trúc cơ bản của mạng LAN

Các máy tính và các thiết bị mạng được kết nối với nhau qua cáp

thông qua card giao tiếp mạng gọi là NIC

Các máy tính được kết nối với internet qua một mạng LAN cần có mô hình 5 lớp như mô hình internet 3 lớp trên là lớp mạng, lớp vận chuyển

và lớp ứng dụng được chỉ định chung cho tất cả các mạng LAN Lớp vật

lý có thể chỉ định khác nhau đối với từng mạng.

Tổng quan về mạng LAN

¾ Trong mô hình này lớp liên kết dữ liệu được chia thành 2 lớp con:

¾ Lớp điều khiển truy nhập đường truyền: chỉ định truy nhập đường

truyền chi sẻ của mạng Chức năng của lớp này được chỉ định thông

qua một số chuẩn biểu diễn ở hình dưới.

¾ Lớp điều khiển logic: các chức năng của lớp này được chỉ định bởi

chuẩn 802.2

Tổng quan về mạng LAN

Chuẩn 802.3 - Chuẩn Ethernet.

Là chuẩn đuợc xây dựng cho các cấu trúc topo mạng LAN sử dụng

phương thức truy nhập không điều khiển CSMA/CD Chuẩn đuợc thiết kế cho mạng LAN hoạt động với tốc độ ở 10Mbps và cự ly tối đa là 2500m

với 4 bộ lặp (chú ý khi có các bộ lặp thì thời gian trễ của gói dữ liệu

truyền tải sẽ tăng lên)

7 byte đầu của gói là chuỗi 56 bít trào đầu các bít 0,1 luân phiên liên tục

Chuỗi bít này nhằm cảnh báo trạm thu có gói dữ liệu tới và cho phép trạm

thu xác định xung clock đồng bộ với xung clock của phía phát để xác định

chính xác các bít thông tin.

SFD - Start frame delimiter hoặc SOF – start of frame : 1 byte (10101011)

byte thông tin báo hiệu bắt đầu khung, 2 bít cuối trong chuỗi bít này là 11 có

chức năng báo hiệu rằng bít tiếp theo 2 bít này là bít đầu tiên của địa chỉ trạm đích.

Cấu trúc khung dữ liệu của chuẩn 802.3

Chuẩn 802.3

Length PDU : 2 byte chỉ định số lượng byte dữ liệu trong phần tải trọng của khung Kích thước khung dữ liệu nhỏ nhất cho phép với chuẩn này là

64 byte ( ?) với 46 byte dữ liệu phần tải trọng Và kích thước khung lớn

nhất là 1518 byte với phần tải trong là 1500 byte.

Gọi t là thời gian lan truyền tin hiệu từ phía phát đến phía thu với chuẩn Ethernet có thông số :

10Mbps Î thời gian của mỗi bít là 0.1 µs

Cự ly tối đa là 2500m Î 2t = 50µs

Như vậy trong 2t thì có 500bít có thể được truyền đi và nhận về Làm tròn số

lượng bít này thành bội số của 8 Î 512 bít tương ứng với 64byte.

Chuẩn 802.3

Phần dữ liệu tải trọng có kích thước chỉ định từ 46 đến 1500 byte Phần

dữ liệu tải trong thực chất gồm dữ liệu thực và các byte dữ liệu đệm

padding, các byte dữ liệu đệm được chỉ định thêm vào để đảm bảo rằng kích thước khung thông tin nhỏ nhất là 64byte cho dù không có dữ liệu

thực trong khung.

FCS - Frame check sequence : chuỗi mã kiểm tra CRC 32 bít

Chuẩn 802.3

Thành phần đầu tiên trong tên của chuẩn giao diện là một số chỉ giá trị

tốc độ bít tối đa theo Mbps (vd 10 Î 10Mbps)

Base chỉ kiểu truyền dẫn là Baseband Transmittion

số thứ hai trong tên chỉ kích thước liên kết tối đa của chuẩn (2 Î 200m)

cụm kí hiệu chữ cái cuối cùng là chỉ kiểu môi trường truyền dẫn của

chuẩn (T Î dây xoắn kép, F Î cáp sợi quang, nếu không có kí hiệu này

thì mặc định sử dụng cáp dây dẫn thường)

Chuẩn giao diện cho mạng Ethernet

Chuẩn 802.3

Chuẩn 802.3

Dạng tín hiệu của chuẩn chuyển dẫn: Chuẩn Ethernet sử dụng mã tín hiệu Manchester chuyển tải các bít thông tin

(với tín hiệu số mức 5V thể hiện bít ‘1’, 0V hoặc -5V thể hiện bít ‘0’)

mức cao tương ứng với 0,85V và mức thấp tương ứng với -0,85V

Với dạng tín hiệu này thì phía thu luôn có thể đồng bộ về xung clock xác định bít thông tin tuy vậy băng tần yêu cầu với dạng tín hiệu này gấp đôi

so với băng tần cơ bản

Chuẩn 802.3

Fast Ethernet: Tuơng tự như mạng 10Mbps Ethernet (kích thước khung,

giao thức) nên cự lý tối đa cung chỉ khoảng 250m nhưng tốc độ có thể đạt được là 100Mbps, dùng cho các mạng LAN có cấu hình dạng sao, sử dụng cáp soắn có bọc hoặc sợi quang

Kiểu tín hiệu dạng mã hoá khối 4B/5B và mã NRZ cho phép xác định

xung đồng bộ bít và xác định lỗi rễ ràng trong khi thiết bị giá thành

không cao chuẩn này được sử dụng phổ biến trong mạng LAN hiện

nay

Mã 4B5B Ánh xạ 4 bít thông tin thành 5bít

Tốc độ xung nhịp bít là 125MHz Î tốc độ bít đạt được là 100Mbps

Chuẩn Gigabít Ethernet:

Kích thước khung mở rộng tới 512 byte, dùng tín hiệu mã khối

Chuẩn 802.3

Chuẩn 802.4 Chuẩn cho mạng Token Bus

Cấu trúc khung :

Chuẩn 802.5 Chuẩn cho mạng Token Ring

Áp dụng cho mạng có topo dạng vòng hoặc dạng sao Tốc độ dữ liệu

thường dùng là 4Mbps và 16Mbps, dùng mã Manchester vi sai Cho

phép tối đa 250 trạm kết nối dạng vòng

Với mạng Token Ring, một trạm muốn truyền dữ liệu đi phải chờ thẻ

bài và bắt giữ thẻ bài khi nó đến sau khi thiết lập thẻ bài thì trạm được

phép truyền đi các khung thông tin, các khung thông tin hoặc các khung thẻ bài được phát đi sẽ đi theo 1 chiều vòng RING qua các trạm khác và chở về trạm phát

Trạm phát sẽ loại bỏ các khung đã truyền và truyền các khung mới

Sau khi quá trình truyền hoàn tất nó sẽ giải phóng và phát lại thẻ bài vào mạng để các trạm khác có thể sử dụng

Chuẩn 802.4

Khung dữ liệu sẽ được sao chép tại một trạm nếu như địa chỉ của

trạm đó là địa chỉ đích của khung, chú ý trạm này thu nhận khung bằng cách sao chép và chuyển tiếp khung đi tiếp trong vòng mạng và khung

này chỉ được huỷ bởi trạm phát

Chuẩn 802.4

Cấu trúc khung thông tin:

Có hai loại khung cơ bản:

Khung dữ liệu / Điều khiển – khung thông tin : 21 byte phần tiêu đề

FS – Frame status: chỉ cho trạm phát khung dữ liệu có được nhận bởi

một trạm trong vòng hay không và dữ liệu đuợc copy bởi trạm đó

+ FS chứa 2 bít A và C Bít A là bít nhận diện địa chỉ và bít C là bít báo hiệu sao chép khung

+ Khi một trạm thu nhận diện trường địa chỉ đích của khung là địa chỉ của nó thì bít A của FS được thiết lập là 1 và nếu như trạm này sao

chép khung dữ liệu thì nó sẽ thiết lập bít C của FS thành 1, đây là một

cơ chế thiết lập phản hồi bào nhận tự độ ACK với mỗi khung

+ Ngoài nhưng thao tác trên thì một trạm không thể thực hiện các xử

lý khác với khung nếu như trạm đó không có thẻ bài

Chuẩn 802.4

Giao thức điều khiển liên kết logíc 802.2

Thực hiện các giao thức cơ bản của lớp liên kết dữ liệu tương tự như

giao thức HDLC, tuy vậy trong khung thông tin không có trường cờ

báo hiệu khung và trường bít kiểm tra (vì các trường thông tin này

được thiết lập trong khung dữ liệu tại lớp MAC)

3.3 Các phương pháp điều khiển truy nhập đường truyền

Các phương pháp điều khiển truy nhập đường truyền

Kỹ thuật truy nhập ngẫu nhiên: ALOHA

Giao thức ALOHA là phương pháp điều khiển truy nhập do đại học

Hawaii nghiên cứu và ứng dụng cho các hệ thống có

sự chia sẻ đường truyền

Một trạm sẽ phát đi dữ liệu của mình bất cứ khi nào có dữ liệu Quá trình truyền dẫn được chỉ định sao cho có độ trễ nhỏ nhất có thể, có

phản hồi báo nhận bằng gói ACK ở trạm thu.

Nếu có nhiều hơn một khung được truyền trong cùng một khoảng thời gian thì các khung này có thể gặp và giao thoa với các khung

khác, quá trình này gọi là sự xung đột dữ liệu và có thể làm các khung

bị mất mát hoặc sai lệch thông tin khi tới phía thu.

Nếu phía phát không nhận được khung phản hồi ACK trong khoảng thời gian tương ứng với 2*khoảng thời gian trễ lan truyền của khung

thông tin, trạm đó sẽ dừng chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên và

sau khoảng thời gian này nó sẽ truyền lại khung thông tin mà nó cho

là bị lỗi (có thể do xung đột với các khung khác gây ra…)